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原文传递隧道路面检测光学系统设计

论文题名：	隧道路面检测光学系统设计
关键词：	公路隧道;路面检测;光学系统;优化设计;倾斜拍摄;均匀照明
摘要：	近年来，我国高速公路的规模以及覆盖面积正逐步增加，因此，高速公路隧道的总建设规模也在日益扩大。且隧道长期处于潮湿环境中，易产生路面病害，裂缝作为路面各类破损中最早期和最容易产生的病害之一，因此对于隧道路面裂缝病害的检测工作就尤为重要。隧道路面裂缝检测光学系统能够搭载在高速行驶的汽车上，对一定范围的被检测路面进行均匀照明，并对路面信息进行采集成像。作为检测系统的图像采集模块，检测光学系统将直接影响着整体系统的检测精度。　　传统的隧道路面检测系统拍摄范围较小，对车辆行驶速度的均匀性要求较高，并且现有的检测系统在拍摄时采用的将相机架高架远的拍摄方式，会对车辆行驶和公路交通产生影响。因此，本文在保证检测精度的前提下，提出了一种倾斜的拍摄方案，所设计的光学系统能够在80km/h的速度下对5m×2.2m的路面裂缝进行图像采集，分辨率为1mm，并对相应的被检测路面实现均匀照明。具体研究内容如下：　　第一，对近年来国内外的隧道路面裂缝检测系统的发展历程和检测方法进行综述，对检测系统的成像和照明方案的研究动态进行分析总结，并结合路面检测的实际应用需求，对隧道路面裂缝检测的成像和照明系统进行方案的对比、分析及制定，成像部分采用像方远心镜头对路面进行倾斜拍摄，照明部分采用矩形LED阵列结合矩形复合抛物面聚光器进行二次配光实现对被测路面的均匀照明。　　第二，根据所制定的方案对像方远心光学系统的具体设计参数进行计算，并采用将反远距的初始结构逐步优化成像方远心光学系统的设计思路，使用评价函数对系统的结构参数进行约束，同时结合像差理论对系统的畸变等像差进行校正，最终得到了由11片透镜组成的光学系统，其中 3 片为非球面透镜，其焦距为 9.6mm，F 数为 1.42，视场角为85°，总长为103mm，最大畸变为5.7%，全视场的光学传递函数在110 lp/mm处大于0.2，成像质量符合检测要求。对设计完成的光学系统进行公差分析，并对其机械结构进行设计。　　第三，根据所制定的方案及光照度、均匀性等需求，对照明系统的光源部分进行参数计算、选型及阵列排布，对矩形复合抛物面聚光器进行结构参数计算，将光源阵列和矩形复合抛物面聚光器结合成的照明系统与被测路面进行相对位置仿真，并结合评价函数对光源阵列排布方式和矩形复合抛物面聚光器结构参数进行优化调整，最终得到的照明系统对被测路面的照明能够达到的照度均匀性为84.24%，平均光照度为21135Lux，符合照明需求。对设计完成的照明系统进行公差分析及机械结构设计。
作者：	张媛
专业：	光学工程
导师：	陈智利
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西安工业大学
学位年度：	2023